Dans diverses situations, il peut être nécessaire de convertir la fréquence du courant de la source en une tension de fréquence réglable. Cela est nécessaire, par exemple, pour faire fonctionner des moteurs asynchrones afin de modifier leur vitesse. Cet article décrit l'objectif et le principe du convertisseur de fréquence.
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Qu'est-ce qu'un convertisseur de fréquence
Un convertisseur de fréquence (CF) est un appareil électrique qui convertit et régule en continu un courant alternatif monophasé ou triphasé à une fréquence de 50 Hz en un courant similaire à une fréquence de 1 à 800 Hz. Ces dispositifs sont largement utilisés pour commander le fonctionnement de diverses machines électriques de type asynchrone, par exemple pour modifier leur vitesse. Il existe également des appareils destinés à être utilisés dans des réseaux industriels à haute tension.
Les convertisseurs simples régulent la fréquence et la tension selon une caractéristique V/f, les dispositifs complexes utilisent la commande vectorielle.
Un convertisseur de fréquence est un appareil techniquement complexe et se compose non seulement d'un convertisseur de fréquence, mais aussi d'une protection contre les surintensités, les surtensions et les courts-circuits. Ces équipements peuvent également comporter une bobine d'arrêt pour améliorer la forme d'onde et des filtres pour réduire les diverses interférences électromagnétiques. Une distinction est faite entre les convertisseurs électroniques et les dispositifs électromécaniques.
Principe de fonctionnement d'un convertisseur de fréquence
Un convertisseur de fréquence électronique est composé de plusieurs éléments de base : un redresseur, un filtre, un microprocesseur et un onduleur.
Le redresseur comporte un faisceau de diodes ou de thyristors, qui rectifient le courant initial à l'entrée du convertisseur. Les onduleurs à diodes se caractérisent par l'absence totale d'ondulation et sont des dispositifs peu coûteux mais fiables. Les variateurs à base de thyristors permettent le passage du courant dans les deux sens et permettent de renvoyer l'énergie électrique au réseau lorsque le moteur est freiné.
Filtre est utilisé dans les unités à base de thyristors pour réduire ou éliminer l'ondulation de la tension. Le lissage est effectué à l'aide de filtres capacitifs ou inductifs-capacitifs.
Le microprocesseur - est l'unité de commande et d'évaluation de l'onduleur. Il reçoit et évalue les signaux des capteurs, ce qui permet de réguler le signal de sortie de l'onduleur par le contrôleur PID intégré. Ce composant enregistre et stocke également les données relatives aux événements, enregistre et protège l'unité contre les surcharges, les courts-circuits, analyse les conditions de fonctionnement et s'arrête en cas d'urgence.
Onduleur Le contrôle de la tension et du courant est utilisé pour commander les machines électriques, c'est-à-dire pour ajuster en permanence la fréquence du courant. Un tel dispositif produit une sortie "sinusoïdale pure", ce qui lui permet d'être utilisé dans de nombreuses applications industrielles.
Le principe de fonctionnement d'un convertisseur de fréquence électronique (onduleur) est le suivant :
- Le courant alternatif sinusoïdal monophasé ou triphasé d'entrée est redressé par un pont de diodes ou des thyristors ;
- Des filtres spéciaux (condensateurs) filtrent le signal pour réduire ou éliminer les ondulations de tension ;
- La tension est convertie en une onde triphasée aux paramètres définis au moyen d'un microcircuit et d'un pont de transistors ;
- À la sortie de l'onduleur, les impulsions rectangulaires sont converties en une tension sinusoïdale aux paramètres définis.
Types de convertisseurs de fréquence
Il existe plusieurs types de convertisseurs de fréquence, qui sont actuellement les plus courants en termes de production et d'utilisation :
Convertisseurs électro-machines (électro-induction) : sont utilisés lorsque l'utilisation de convertisseurs de fréquence électroniques n'est pas possible ou réalisable. Il s'agit de moteurs asynchrones avec des rotors à enroulement de phase fonctionnant en mode générateur-convertisseur.
Ces unités sont des convertisseurs de contrôle scalaire. La sortie de cette unité génère une tension d'une amplitude et d'une fréquence données afin de maintenir un certain flux magnétique dans les enroulements du stator. Ils sont utilisés dans les applications où il n'est pas nécessaire de maintenir la vitesse du rotor en fonction de la charge (pompes, ventilateurs et autres équipements).
convertisseurs électroniques : largement utilisé dans toutes les conditions de fonctionnement pour une variété d'équipements. Ces dispositifs sont vectoriels, ils calculent automatiquement l'interaction des champs magnétiques du stator et du rotor et assurent une vitesse constante du rotor quelle que soit la charge.
- Cyclo-inverseurs ;
- Cyclo-inverseurs ;
- Onduleurs à liaison CC :
- Convertisseur de fréquence à source de courant ;
- Convertisseur de fréquence d'une source de tension (avec modulation d'amplitude ou de largeur d'impulsion).
En termes d'application, l'équipement peut être :
- Pour les équipements jusqu'à 315 kW ;
- convertisseurs vectoriels pour des puissances allant jusqu'à 500 kW ;
- dispositifs antidéflagrants destinés à être utilisés dans des environnements explosifs et poussiéreux ;
- les convertisseurs de fréquence montés sur les moteurs électriques ;
Chaque type de convertisseur de fréquence présente certains avantages et inconvénients et convient à différents équipements et charges ainsi qu'à différentes conditions de fonctionnement.
Le convertisseur de fréquence peut être commandé manuellement ou de manière externe. La commande manuelle s'effectue à partir du panneau de commande du convertisseur de fréquence, qui peut être utilisé pour régler la vitesse ou arrêter le fonctionnement. Le contrôle externe est effectué au moyen de systèmes de contrôle automatique (ACS), qui peuvent surveiller tous les paramètres de l'unité et permettre la commutation du circuit ou du mode de fonctionnement (via un convertisseur de fréquence ou un bypass). La commande externe permet également de programmer l'onduleur en fonction des conditions de fonctionnement, de la charge et du temps, ce qui permet à l'onduleur de fonctionner en mode automatique.
Ce pour quoi le moteur électrique peut avoir besoin d'un convertisseur de fréquence
L'utilisation de convertisseurs de fréquence réduit les coûts énergétiques, les coûts d'amortissement des moteurs et des équipements. Il est possible de les utiliser pour des moteurs à cage d'écureuil à faible coût, ce qui réduit les coûts de production.
De nombreux moteurs électriques fonctionnent dans des conditions de fonctionnement qui changent fréquemment (démarrages et arrêts fréquents, charges variables). Les convertisseurs de fréquence permettent un démarrage en douceur du moteur et réduisent le couple maximal de démarrage et l'échauffement de l'équipement. Ceci est important, par exemple, dans les machines de levage et réduit les effets négatifs des démarrages soudains et des arrêts brusques.
Grâce aux convertisseurs d'entraînement, il est possible de contrôler en douceur le fonctionnement des soufflantes et des pompes et d'automatiser les processus technologiques (utilisés dans les chaudières, les mines, la production et les raffineries de pétrole, les usines de traitement des eaux et autres usines).
L'utilisation de convertisseurs de fréquence dans les convoyeurs, les transporteurs, les ascenseurs peut augmenter la durée de vie de leurs composants car elle réduit les secousses, les chocs et autres facteurs négatifs lors du démarrage et de l'arrêt de l'équipement. Ils peuvent augmenter et diminuer en douceur la vitesse du moteur, effectuer des inversions, ce qui est important pour un grand nombre d'équipements industriels de haute précision.
Avantages des convertisseurs de fréquence :
- Réduction des coûts énergétiques : grâce à la réduction des courants d'appel et à la régulation de la puissance du moteur en fonction de la charge ;
- Augmente la fiabilité et la durabilité de l'équipement : permet de prolonger la durée de vie et les intervalles de maintenance ;
- Permet l'introduction du contrôle et de la gestion externes des équipements à partir de dispositifs informatiques distants et la possibilité d'être intégré dans des systèmes d'automatisation ;
- Les convertisseurs de fréquence peuvent gérer n'importe quelle capacité de charge (d'un kilowatt à des dizaines de mégawatts) ;
- La présence de composants spéciaux dans les convertisseurs de fréquence permet d'assurer une protection contre les surcharges, les pertes de phase et les courts-circuits, ainsi qu'un fonctionnement et un arrêt sûrs de l'équipement en cas d'urgence.
Bien sûr, à la lecture de cette liste d'avantages, on peut se demander pourquoi ne pas les utiliser pour tous les moteurs d'une usine ? La réponse est évidente, hélas, mais il s'agit du coût élevé des convertisseurs de fréquence, de leur installation et de leur mise en service. Toutes les entreprises ne peuvent pas se permettre ces coûts.
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